廣州港南沙港區(qū)四期工程岸橋與智能導(dǎo)引車自動(dòng)裝卸交互方案應(yīng)用

黃炳林 劉政剛

我國已經(jīng)建成投產(chǎn)的全自動(dòng)化集裝箱碼頭岸邊裝卸作業(yè)大多采用自動(dòng)化雙小車岸橋和軌后裝卸模式，水平運(yùn)輸作業(yè)采用基于磁釘導(dǎo)航定位技術(shù)的自動(dòng)導(dǎo)引車;而廣州港南沙港區(qū)四期工程（以下簡稱“四期工程”）建成的全自動(dòng)化集裝箱碼頭岸邊裝卸作業(yè)采用自動(dòng)化單小車岸橋和軌內(nèi)裝卸模式，水平運(yùn)輸作業(yè)采用基于衛(wèi)星導(dǎo)航定位、激光導(dǎo)航定位、視覺導(dǎo)航定位、慣性導(dǎo)航定位等融合導(dǎo)航定位技術(shù)的智能導(dǎo)引車（intelligent guided vehicle，IGV）。鑒于此，我國已建成的全自動(dòng)化集裝箱碼頭的岸橋與水平運(yùn)輸機(jī)械交互方案無法應(yīng)用于四期工程，必須另行設(shè)計(jì)適用于四期工程的岸橋與IGV自動(dòng)裝卸交互方案。

1 IGV自動(dòng)導(dǎo)航定位存在的問題

四期工程IGV采用衛(wèi)星導(dǎo)航定位、激光導(dǎo)航定位、視覺導(dǎo)航定位和慣性導(dǎo)航定位等融合導(dǎo)航定位技術(shù)，裝備多種安全保護(hù)機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)，能夠在相對(duì)封閉的港區(qū)內(nèi)沿規(guī)劃路徑自動(dòng)行駛。集多種導(dǎo)航定位技術(shù)于一體的融合導(dǎo)航定位精度滿足岸橋與IGV自動(dòng)裝卸交互要求，但某些特殊情況可能會(huì)影響IGV定位精度，主要包括：（1）當(dāng)多臺(tái)岸橋并排作業(yè)時(shí)，衛(wèi)星定位信號(hào)減弱，從而影響衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度;（2）激光導(dǎo)航定位利用岸橋下方物理圍網(wǎng)立柱作為激光定位桿，當(dāng)多臺(tái)IGV帶箱在岸橋下方并行時(shí)，激光定位桿可能會(huì)被IGV遮擋，從而影響激光導(dǎo)航定位精度;（3）地面積水或定位標(biāo)志污損可能導(dǎo)致系統(tǒng)無法識(shí)別地面視覺定位標(biāo)志，從而影響視覺導(dǎo)航定位精度。當(dāng)多種導(dǎo)航定位系統(tǒng)同時(shí)失效時(shí)，導(dǎo)航定位精度無法滿足岸橋與IGV自動(dòng)裝卸交互要求，需要采取其他輔助技術(shù)手段。

2 四期工程岸橋與IGV自動(dòng)裝卸交互主要系統(tǒng)

四期工程岸橋與IGV自動(dòng)裝卸交互主要系統(tǒng)包括岸橋大車定位系統(tǒng)、岸橋小車定位系統(tǒng)、岸橋吊具檢測(cè)系統(tǒng)和水平運(yùn)輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)等（見圖1）。

2.1 岸橋大車定位系統(tǒng)

在岸橋陸側(cè)大車上安裝磁釘天線，并沿岸橋陸側(cè)軌道方向鋪設(shè)磁釘，通過磁釘位置信息獲取岸橋大車位置，從而獲取岸橋與IGV交互的目標(biāo)位置。

2.2 岸橋小車定位系統(tǒng)

在岸橋小車架上安裝磁尺式天線，并沿岸橋小車軌道方向布設(shè)磁釘。當(dāng)岸橋小車運(yùn)行時(shí)，通過天線獲取的磁釘位置信息確定小車位置，并根據(jù)設(shè)備控制系統(tǒng)選定的IGV在岸橋軌內(nèi)的作業(yè)車道調(diào)整小車目標(biāo)位置。

2.3 岸橋吊具檢測(cè)系統(tǒng)

岸橋吊具檢測(cè)系統(tǒng)用于檢測(cè)岸橋吊具位置。在岸橋小車架上安裝1臺(tái)近紅外相機(jī)，并在吊具上安裝3套光源設(shè)備，利用吊具檢測(cè)系統(tǒng)工控機(jī)處理數(shù)據(jù)，計(jì)算吊具空間位置和姿態(tài)，從而獲取吊具位置信息。

2.4 水平運(yùn)輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)

2.4.1 系統(tǒng)布置

傳統(tǒng)集裝箱碼頭水平運(yùn)輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要用于人工駕駛集卡導(dǎo)航定位;而四期工程采用無人駕駛IGV，加之岸橋軌內(nèi)車道布置也有別于傳統(tǒng)集裝箱碼頭，因而需要配備相適應(yīng)的水平運(yùn)輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)。四期工程水平運(yùn)輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)用于引導(dǎo)IGV在岸橋下精準(zhǔn)停車，掃描IGV或IGV上的集裝箱位置，便于岸橋?qū)GV實(shí)施集裝箱裝卸作業(yè)，從而縮短岸橋下IGV裝卸時(shí)間，提高裝卸效率。如圖2所示，四期工程岸橋軌內(nèi)布置7條車道，其中：海側(cè)第1條車道為工作通道，海側(cè)第2～7條車道為IGV作業(yè)和行車車道;第1條車道與第2條車道之間設(shè)置物理圍網(wǎng)，用于隔離自動(dòng)化設(shè)備與非自動(dòng)化設(shè)備。為了確保水平運(yùn)輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)的覆蓋范圍和IGV導(dǎo)航定位的準(zhǔn)確性，在岸橋每條聯(lián)系梁上各安裝2套三維激光掃描器，組成2套水平運(yùn)輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)，用于第2～7條車道IGV導(dǎo)航定位。

2.4.2 系統(tǒng)與IGV通信

傳統(tǒng)集卡由司機(jī)駕駛操作;而IGV為無人駕駛設(shè)備，需要解決水平運(yùn)輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)與IGV通信問題。為此，對(duì)比研究以下2種通信方案：方案一采用系統(tǒng)層面通信模式，相應(yīng)通信流程見圖3;方案二采用超寬帶通信模式，相應(yīng)通信流程見圖4。超寬帶通信模式的實(shí)現(xiàn)方式如下：在岸橋左右聯(lián)系梁上各安裝1個(gè)超寬帶信號(hào)發(fā)射模塊，并接入水平運(yùn)輸導(dǎo)航定位系統(tǒng);在每臺(tái)IGV前后各安裝1個(gè)超寬帶信號(hào)接收模塊;超寬帶通信模塊的有效通信距離大于，信號(hào)發(fā)送時(shí)間間隔約為2 ms。經(jīng)測(cè)試：系統(tǒng)層面通信模式延時(shí)較長，不滿足使用要求;超寬帶通信模式延時(shí)較短，滿足使用要求。鑒于此，四期工程選擇超寬帶通信模式作為水平運(yùn)輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)與IGV通信模式。

3 四期工程岸橋與IGV自動(dòng)裝卸交互方案

3.1 確認(rèn)岸橋作業(yè)位置

將靠泊船舶信息錄入碼頭操作系統(tǒng)。通過岸橋大車定位系統(tǒng)獲取大車位置，遠(yuǎn)程控制岸橋大車行走至作業(yè)貝位。岸橋大車到達(dá)作業(yè)貝位的合適位置后，在操作界面實(shí)施確認(rèn)操作，并將相關(guān)信息發(fā)送至設(shè)備控制系統(tǒng)、岸橋管理系統(tǒng)和岸橋自動(dòng)控制系統(tǒng)。

3.2 IGV運(yùn)行至交互岸橋下方目標(biāo)位置

（1）IGV向交互岸橋方向運(yùn)行。在碼頭操作系統(tǒng)中確認(rèn)需要與岸橋交互的IGV及其行車和作業(yè)車道，將相關(guān)信息發(fā)送至設(shè)備控制系統(tǒng)。設(shè)備控制系統(tǒng)發(fā)送信息至車隊(duì)管理系統(tǒng)，車隊(duì)管理系統(tǒng)控制IGV自動(dòng)運(yùn)行至岸橋下方距離岸橋25 m左右位置并減速。此時(shí)，IGV利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位、激光導(dǎo)航定位、視覺導(dǎo)航定位、慣性導(dǎo)航定位中的1種或多種定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)粗略定位。

（2）IGV在交互岸橋下方目標(biāo)位置精準(zhǔn)停車。IGV利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位、激光導(dǎo)航定位、視覺導(dǎo)航定位中的任意2種定位技術(shù)實(shí)施定位，停車精度達(dá)到50 mm。特殊情況下，IGV也可利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位、激光導(dǎo)航定位、視覺導(dǎo)航定位中的1種定位技術(shù)或慣性導(dǎo)航定位技術(shù)實(shí)施定位，向交互岸橋下方目標(biāo)位置靠近。IGV駛?cè)雽?duì)應(yīng)作業(yè)岸橋水平運(yùn)輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)有效掃描范圍后，水平運(yùn)輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)將掃描獲取的IGV和集裝箱信息以及岸橋大車行走方向IGV停車位置與目標(biāo)位置的差值（見圖5）發(fā)送至超寬帶通信模塊;超寬帶通信模塊向有效信號(hào)范圍內(nèi)的所有IGV發(fā)送相關(guān)信號(hào);IGV自動(dòng)駕駛系統(tǒng)接收相關(guān)信號(hào)后，通過可編程邏輯控制器控制IGV行走或停車。隨著水平運(yùn)輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)不斷掃描并將IGV位置與目標(biāo)位置的差值發(fā)送至IGV自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)不斷調(diào)整IGV行車路徑并控制IGV減速。當(dāng)差值接近50 cm時(shí)，IGV速度減至最慢?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果顯示：受輪胎磨損情況、IGV載箱狀態(tài)以及水平運(yùn)輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)掃描精度和處理延時(shí)等因素的影響，定位偏差在35 mm內(nèi)。當(dāng)差值小于15 mm時(shí)，IGV執(zhí)行制動(dòng)停車命令，從而確保IGV在岸橋大車運(yùn)行方向的停車位置與目標(biāo)位置的差值不超過50 mm。

3.3 岸橋與IGV自動(dòng)裝卸交互

3.3.1 裝箱交互

IGV上裝有導(dǎo)板，導(dǎo)板斜面沿岸橋大車運(yùn)行方向和小車運(yùn)行方向的垂直投影長140 mm。只要IGV在岸橋大車運(yùn)行方向偏離目標(biāo)位置不超過140 mm，岸橋吊具均可將集裝箱放到IGV上，從而覆蓋IGV停車精度。IGV在岸橋下裝箱對(duì)應(yīng)的船舶工藝為卸船作業(yè)。IGV空載運(yùn)行至岸橋下的目標(biāo)位置后，岸橋自動(dòng)控制系統(tǒng)接收來自IGV導(dǎo)航定位系統(tǒng)或水平運(yùn)輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)（僅限當(dāng)IGV導(dǎo)航定位系統(tǒng)不滿足定位要求時(shí)）的IGV空車位置信號(hào)，并確認(rèn)將集裝箱裝到IGV上的某個(gè)位置。岸橋先從船上抓取集裝箱，再通過吊具檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)吊具位置，自動(dòng)調(diào)整吊具將集裝箱放至系統(tǒng)設(shè)定的IGV上，從而實(shí)現(xiàn)岸橋與IGV自動(dòng)裝箱交互。

3.3.2 卸箱交互

岸橋吊具導(dǎo)板喇叭口直徑約為150 mm，導(dǎo)板能使吊具位移150 mm，可以實(shí)現(xiàn)IGV沿岸橋大車運(yùn)行方向偏離目標(biāo)位置75 mm以內(nèi)岸橋吊具對(duì)IGV上集裝箱的抓取，從而覆蓋IGV停車精度。IGV在岸橋下卸箱對(duì)應(yīng)的船舶工藝為裝船作業(yè)。IGV帶箱運(yùn)行至岸橋下的目標(biāo)位置后，岸橋自動(dòng)控制系統(tǒng)接收來自IGV導(dǎo)航定位系統(tǒng)或水平運(yùn)輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)（僅限當(dāng)IGV導(dǎo)航定位系統(tǒng)不滿足定位要求時(shí)）的IGV上集裝箱位置信息，通過吊具檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)吊具位置，自動(dòng)調(diào)整吊具與集裝箱的相對(duì)位置，控制吊具抓取IGV上的集裝箱;抓取集裝箱后，岸橋自動(dòng)控制系統(tǒng)控制吊具帶箱起升，完成IGV卸箱;集裝箱起升到一定高度后，IGV駛離岸橋下，完成岸橋與IGV自動(dòng)卸箱交互。

4 結(jié)束語

四期工程采用自動(dòng)化單小車岸橋?qū)崿F(xiàn)與IGV自動(dòng)裝卸交互，大大降低設(shè)備投入成本和土建工程成本。我國傳統(tǒng)集裝箱碼頭大多使用單小車岸橋，在對(duì)傳統(tǒng)集裝箱碼頭實(shí)施岸橋與IGV自動(dòng)裝卸交互升級(jí)改造時(shí)，無須改造碼頭軌道梁基礎(chǔ)，從而可大大節(jié)約投資成本，縮短改造工期。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2022-04-28）